Jak wytworzyć energię ze światła, gdy wokół panuje ciemność?
Przez dziesięciolecia uważano, iż fotosynteza jest ściśle uzależniona od określonego zakresu światła widzialnego, głównie czerwonego i niebieskiego. To właśnie te długości fal dostarczają odpowiedniej ilości energii, by zasilać procesy chemiczne niezbędne do życia. Jednak w wielu środowiskach naturalnych, takich jak głębokie, mętne wody czy gęsto zacienione lasy, dostęp do takiego światła jest ograniczony niemal do minimum.
Czytaj też: Scena jak z Parku Jurajskiego. Szczątki sprzed milionów lat to pozostałość po starciu dwóch bestii
W takich warunkach funkcjonuje jednokomórkowa alga Trachydiscus minutus, która stała się bohaterem najnowszych badań naukowców z Osaka Metropolitan University. Organizm ten wykształcił niezwykłą strategię pozwalającą mu wykorzystać światło dalekiej czerwieni, a więc zakres uznawany dotąd za mało użyteczny w fotosyntezie.
Klucz do tego procesu nie leży w nowym typie pigmentu, lecz w sposobie organizacji już istniejącego. Chlorofil a, który sam w sobie nie potrafi efektywnie absorbować światła dalekiej czerwieni, zostaje ułożony w wyjątkowo zwarte i współpracujące ze sobą struktury. W obrębie specjalnego kompleksu białkowego cząsteczki chlorofilu znajdują się bardzo blisko siebie, tworząc tzw. klastry pigmentowe.
Brakujące ogniwo w badaniach nad fotosyntezą
Ta nietypowa architektura – określana jako tetrameryczna struktura złożona z dwóch różnych par podjednostek – pozwala na zjawisko współdzielenia energii między cząsteczkami. Dzięki temu energia światła, nawet bardzo słabego, może być efektywnie wychwytywana i wykorzystywana w procesie fotosyntezy.
Co szczególnie istotne, mechanizm ten nie wymaga chemicznej modyfikacji pigmentów. Zamiast tego natura rozwiązuje problem poprzez precyzyjne ułożenie cząsteczek w przestrzeni, co prowadzi do zjawiska delokalizacji energii, czyli rozłożenia jej na wiele cząsteczek jednocześnie. To zupełnie inne podejście niż znane wcześniej strategie wykorzystywane przez niektóre bakterie bądź glony.
Czytaj też: Zadziwiające połączenia między oceanami. Skamieniałości pokazały prawdę
Odkrycie to ma duże znaczenie nie tylko dla biologii, ale i dla technologii przyszłości. Organizmy zdolne do wykorzystywania światła o bardzo niskiej energii mogą stać się inspiracją dla tworzenia bardziej wydajnych systemów sztucznej fotosyntezy. Może to znaleźć zastosowanie w produkcji biopaliw, a także w rolnictwie – zwłaszcza w miejscach o ograniczonym dostępie do światła słonecznego. Dodatkowo badana alga należy do grupy organizmów zdolnych do magazynowania dużych ilości olejów, co czyni ją potencjalnie cennym źródłem surowców energetycznych. Połączenie tej cechy z możliwością efektywnego wykorzystania słabego światła otwiera nowe perspektywy dla zrównoważonej produkcji energii.
Źródło: Eureka Alert, Journal of the American Chemical Society